新品速递丨【追光系列 3】初识多晶硅

文摘   2024-12-17 11:18   浙江  


一、 基础性质与分类

多晶硅是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时,硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核,如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒,则这些晶粒结合起来,就结晶成多晶硅。如晶核长成晶面取向相同的晶粒,则形成单晶硅。当前市场中流通的主要是单晶硅,这与主流工艺相关。

多晶硅有灰色金属光泽,室温下质脆,切割时易碎裂。常温下不活泼,熔点在1410℃,1300℃时明显变形,高温下与氧、氮、硫等反应,具有化学活泼性。其因具有半导体性质而成为了重要的优良半导体材料,但微量的杂质会大大影响其导电性。

多晶硅可按照纯度、表面质量、生产工艺、掺入杂质等标准分类:

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1、 按纯度分类:


按纯度分类,多晶硅可分为冶金级、太阳能级和电子级。纯度可以简单理解为硅含量,例如纯度5N可以理解为硅含量为99.999%。纯度越高,杂质含量越少。

冶金级多晶硅:纯度在5N-6N的多晶硅,应用在航空、军事特种材料、建筑、纺织等领域。
太阳能级多晶硅:纯度在6N-9N的多晶硅,对应光伏产品的生产,按标准分为特级品、1级品、2级品和3级品。
电子级多晶硅:纯度在9N以上的多晶硅,对应半导体芯片的生产,按标准分为特级品、1级品、2级品和3级品。

图1  太阳能级多晶硅标准
来源:国家标准化管理委员会、物产中大期货研究院

图2  电子级多晶硅标准
来源:国家标准化管理委员会、物产中大期货研究院

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2、 按表面质量分类:


按表面质量分类,多晶硅可分为复投料、致密料、菜花料和珊瑚料。

复投料:拉晶过程中所产生的边皮料,块径相对小一些,由于品质较好,可以二次循环参与制备单晶硅,价格较高。
致密料:表面颗粒凹陷深度小于5mm,表面更光滑,结构紧密,多晶硅产成品中占比最大,主要用于拉制单晶硅片,价格较高。
菜花料:表面颗粒凹陷深度约为5-20mm,表面呈菜花状,结构较紧密,可与致密料共同参与制备单晶硅,价格偏低。
珊瑚料:表面颗粒凹陷深度大于20mm,形状似珊瑚,结构不紧密,断面疏松,质量不良,一般价格比较低。
来源:公开信息整理、物产中大期货研究院

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3、 按生产工艺分类:


按生产工艺分类,多晶硅可分为棒状硅和颗粒硅。首先最为直观的是两者形态的不同,一个是棒状破碎成块状,一个呈颗粒状,这与两者的生产工艺相关,分别采用的是改良西门子法和硅烷流化床法。在工艺上,两者第一步都是将工业硅制成三氯氢硅,但后续棒状硅是在硅芯上沉积形成,而颗粒硅是在硅籽晶上沉积形成,所以呈现的形状不同。目前生产颗粒硅的主要有两家企业,分别是协鑫科技和天宏瑞科。其余市场中的厂商基本采用改良西门子法。
来源:公开信息整理、物产中大期货研究院

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4、 按掺入杂质分类:


按掺入杂质分类,多晶硅可以分为P型和N型。P型料掺杂的是3价元素,如硼、铝、镓,会构成空穴导电。N型料掺杂的是5价元素,如磷、砷、锑,会构成电子导电。以N型料制成的N型电池片转化效率高于以P型料制成的P型电池片,以PERC电池(P型)和TOPCon电池(N型)为例,PERC电池的理论转换效率为24.5%,TOPCon电池的理论转换效率为29.1%。简单来说,N型料是高品质的致密料,且N、P型的划分实际是根据下游的应用情况。
来源:公开信息整理、物产中大期货研究院

二、 生产工艺

多晶硅的生产工艺分为改良西门子法和硅烷流化床法,分别产出的是棒状硅和颗粒硅,按市场占比来看,改良西门子法是目前多晶硅生产的主流技术,其所生产的棒状硅占83%;硅烷流化床法所生产的颗粒硅占17%。
 
改良西门子法的工艺流程第一步是合成,通过将氯化氢和工业硅反应生成三氯氢硅。第二步是提纯,采用多级分馏塔技术,对得到的三氯氢硅进行提纯,达到分离杂质的效果;最后,在氢还原炉内,经过提纯的三氯氢硅会发生还原反应,沉积在硅芯上形成多晶硅棒。

图3  改良西门子法流程图
来源:SMM、物产中大期货研究院

硅烷流化床法制备颗粒硅的工艺主要包含三个关键步骤:首先是“氢化”过程,在此阶段,金属硅与氯化氢发生化学反应,生成三氯氢硅;接着是“歧化”步骤,通过催化剂的作用,将三氯氢硅转化为二氯二氢硅,再进一步变成硅烷气以及其他副产物;最后是“还原”阶段,硅烷气在流化床反应炉中连续热分解,硅籽晶经过沉积反应后,最终得到所需的颗粒硅产品。

图4  硅烷流化床法流程图
来源:SMM、物产中大期货研究院

两种工艺的优势不同,改良西门子法的工艺比较成熟,产出的多晶硅纯度较高,且可以大量生产。但劣势在于整体生产的能耗较高,而单电耗成本就占到了总成本的42%,且棒状硅产出后需进一步破碎成块状硅。相反,硅烷流化床法的优势就在于其成本相较前者更低,单位电耗仅为前者的四分之一。但缺点在于生产的安全性差一些,且颗粒硅表面更容易吸附杂质。

三、产业链情况

多晶硅产业链比较清晰,上游原料各牌号工业硅按一定配比磨成硅粉,硅粉的含硅量通常在99%左右。在用硅粉制成多晶硅后,通过长晶、截断、开方、倒角、切片等工艺处理得到硅片,硅片进一步制成电池片、组件,最后应用在光伏电站的搭建上。值得注意的是,当前市场上的主流工艺是单晶硅工艺,多晶硅制成的单晶硅棒占比达到99%,原因在于以单晶硅为原料制成的电池片转换效率更高。单晶硅棒98%应用在光伏行业,仅2%应用在芯片半导体行业中。

图5  多晶硅产业链图
来源:物产中大期货研究院

四、概述

综合来看,多晶硅有多种分类方法,从实际下游应用的角度来看,当前更多以N、P型来划分;技术路径方面,制备多晶硅的主流技术是改良西门子法,对应棒状硅。此外就是硅烷流化床法,对应颗粒硅;多晶硅的主产业链同样比较清晰,采用单晶硅技术,主要应用于光伏行业。

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编辑:余瑶/F03124004/
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报告完成日期: 2024年12月17日
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